Die drei Gesichter der PID

Die Prozesssteuerungsbranche wird stark von Proportional-Integral-Derivative (PID) Controllern , aber selbst diese wunderbaren Komponenten haben ihre eigenen Einschränkungen. Das Verhalten von PID Schleifen sind schwer zu verstehen, was sich verschlechtert, wenn ein Fehler auftritt und eine Fehlersuche erforderlich ist. Nichtsdestotrotz streben Techniker und Ingenieure danach, eine Kohärenz zwischen den drei Bausteinen des Controllers zu erreichen, d. h. proportionale, integrale und abgeleitete Aktionen.

Als Controller eingeführt wurden, waren sie nur proportional, und obwohl sie dadurch leicht verständlich waren, waren sie bald nicht mehr in der Lage, mit Fehlern umzugehen. Diese Regler neigten dazu, zu früh abzubrechen, wenn Fehler zwischen der Prozessvariablen und dem Sollwert beseitigt werden mussten. Dies führte zur Ergänzung des bisherigen „Proportionalreglers“ um den I-Anteil.

Integrierte Aktion

Die Bediener stellten bald fest, dass sie die Abweichung, die sich aus der abnehmenden Proportionalität ergab, durch manuelles Hinzufügen von Vorspannungen zum Regelaufwand ausgleichen konnten, die ausreichten, um die winzige Lücke zwischen der Prozessvariablen und dem Sollwert zu überwinden. Dies wurde als „Zurücksetzen“ der Schleife bekannt.

Zunächst wurden die Bediener mit der Durchführung dieses „Resets“ beauftragt, jedoch wurde bald das automatische Reset eingeführt, wodurch die Verzögerung durch manuelle Eingriffe beseitigt wurde. Heutzutage wird diese automatische Rückstellung als Integralaktion bezeichnet, während die Verstärkung, die die Größe der erforderlichen Reaktion bestimmt, manchmal als „Rückstellrate“ bezeichnet wird. Solange sich die Prozessvariable und der Sollwert unterscheiden, neigt eine hohe Rückstellrate dazu, den Regler dazu zu bringen, eine aggressive Regelanstrengung zu erzeugen . Aber hier ist die Sache, die integrale Aktion wächst weiter, solange der Fehler bleibt, im Gegensatz zur proportionalen Aktion, die dazu neigt, zu dämpfen, wenn der Fehler minimiert wird.

Das mag günstig erscheinen, hat aber tatsächlich seine eigenen Probleme. Wenn beispielsweise der zu steuernde Prozess träge ist, dauert es eine Weile, bis der Fehler verschwindet, während der Controller aggressive integrale Maßnahmen einsetzt, um ihn zu beseitigen. Wenn der Bediener die Rückstellrate zu hoch einstellt, überkompensiert die Steuerung den Fehler, was zu einem noch größeren Fehler in negativer Richtung führt, was zu Hin- und Her-Hinunterläufen führt, bis der Fehler vollständig beseitigt ist.

Windup zurücksetzen

Die integrale Aktion eignet sich am besten für Anwendungen, bei denen ein Prozess einen Aktuator hat, der zu klein ist, um einen großen Steuerungsaufwand zu erzeugen. Zum Beispiel, wenn ein Ventil zu klein ist, um einen ausreichend hohen Durchfluss zu erzeugen, wenn ein Brenner nicht groß genug ist, um ausreichend Wärme zu liefern usw. Immer wenn solche Situationen auftreten, sagt man, dass der Stellantrieb an irgendeinem Begrenzungsventil gesättigt ist.

Diese Sättigung führt letztendlich zu positiven Fehlern zwischen dem Sollwert und der Prozessvariablen. Der I-Anteil ist weiterhin aggressiver, aber der Aktuator stockt und verhindert eine Fehlerbeseitigung. Während der Aktuator bei 100 % hängen bleibt, hat der integrierte Gesamtfehler einen enormen Wert erreicht. Dies zwingt die Steuerung in einen nicht reagierenden Zustand und hindert den Bediener daran, den Fehler zu beheben, indem er den Sollwertpegel auf einen erreichbaren Bereich reduziert.

Es wurden mehrere Lösungen entwickelt und implementiert, um den Controller vor Reset-Windup zu schützen, wobei die meisten davon das Herunterfahren des Integrators beinhalten.

Ableitungswirkung

Die Differentialwirkung eines PID-Reglers wirkt wie ein gemischter Segen, indem sie den Regelaufwand proportional zur Änderungsrate des Fehlers verringert, sodass der Abfall der Prozessvariablen auf den Sollwert verlangsamt werden kann. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit des Überschießens und Nachschwingens . Wenn die Differentialwirkung jedoch zu aggressiv auftritt, kann sie von selbst zu einem Nachlaufen führen. Dieser Effekt wird häufig in Prozessen beobachtet, die schnell auf die Bemühungen des Controllers reagieren, z. Motoren &Robotik.

Die Ableitungswirkung kann auch eine plötzliche Spitze zum Steueraufwand hinzufügen, wann immer sich der Fehler abrupt ändert. Dadurch wird der Regler zum Handeln gezwungen, noch bevor die Proportional- oder Integralanteile des PID zum Einsatz kommen können. Im Vergleich zu einem Zweiterm-PI-Regler kann ein vollständiger Dreiterm-PID-Regler den Aufwand antizipieren, der erforderlich wäre, um die Prozessvariable stabil zu halten.

Während eine solche vorausschauende Steuerung bei einigen Anwendungen vorteilhaft ist, ist sie bei anderen nicht günstig. Beispielsweise ist ein heißer Luftstoß für die Bewohner eines Raums oder im industriellen Maßstab für die Wand des Ofens nicht angenehm.

Korrekturen

Moderne PID-Regler zielen darauf ab, all diese Probleme anzugehen. Einige gemeinsame Merkmale heutiger PID-Regler sind:

• Aufziehschutz zurücksetzen
• Rechner für abgeleitete Wirkungen
• Rauschfilterung

Eine besondere Technik, die die Genauigkeit des PID-Reglers stark verbessert hat ist Loop-Tuning. Dies an sich ist die Kunst, geeignete Werte für die Proportional-, Integral- und Differentialverstärkungen auszuwählen, wodurch eine schnelle Reaktion auf Änderungen der Prozessvariablen erreicht wird. Die Technik wurde durch zahlreiche Methoden ergänzt und durch eine Fülle von Softwarepaketen unterstützt, um eine maximale Stabilität innerhalb des Systems zu gewährleisten.

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